"Kisik za celice": preprost vsadek je pomagal znižati raven sladkorja brez močnih zdravil

V reviji Nature Communications je bil opisan nov "kisikov" vsadek za zdravljenje sladkorne bolezni tipa 1: kompaktni elektrokemični generator kisika (iEOG) neprekinjeno dovaja O₂ makrokapsuli s celicami, ki izločajo inzulin. Ta sistem omogoča tesno pakiranje izoliranih otočkov (do 60.000 IEQ/ml) in ohranja njihovo sposobnost preživetja in izločanje tudi v pogojih nizke vsebnosti kisika. Pri podganah s sladkorno boleznijo je naprava, vsajena pod kožo, vzdrževala normalen sladkor do tri mesece – brez imunosupresije. Kontrolne podgane brez kisika so ostale hiperglikemične.

Ozadje

• Glavna tehnična težava je kisik. Takoj ko celice "skrijemo" za membrano in napravo vstavimo pod kožo (kar jo priročno in enostavno odstranimo), jim primanjkuje kisika: difuzija skozi membrano in slabo prekrvavljeno mesto ne zadovoljuje potreb "požrešnih" otočkov. Od tod zgodnja smrt, šibko delo in potreba po močnem redčenju semenske mase - sicer se kapsula izkaže za ogromno.
• Zakaj je to fizično tako težko? Kisik prehaja skozi tkiva le na zelo kratke razdalje, inkapsulirane celice pa nimajo lastnih žil – prve mesece živijo le zaradi pasivne difuzije. Vsako zgostitev materialov ali "zbijanje" celic hitro prenese središče kapsule v hipoksijo.
• Kaj si že poskusil/a prej?
  • Izdelali so makronaprave, ki jih je mogoče ponovno napolniti s kisikom (na primer βAir): v notranjosti je rezervoar, ki se dnevno polni s kisikom; opravljene so bile predklinične in zgodnje klinične raziskave. Deluje, vendar je za pacienta delovno intenzivno.
  • Preizkusili so kemične donorje O₂ in "nosilne" materiale (perfluoro spojine): pomagajo, vendar dajejo kratek in težko nadzorovan učinek. Pojavili so se tudi "zračni" okvirji za pospešitev dovajanja O₂ v debelino gela.
  • Same kapsule in mesta implantacije (tanke membrane, prevaskularizacija) so bila izboljšana, vendar brez zunanjega vira O₂ še vedno dosegajo meje gostote celic.
• Katero vrzel v sestavljanki zapolnjuje novo delo? Avtorji Nature Communications prikazujejo neprekinjeno oskrbo s kisikom iz mini generatorja neposredno v sistemu makroenkapsulacije: naprava jemlje vodo iz tkiv in elektrokemično sprošča O₂, ki enakomerno »diha« vzdolž kapsule s celicami. Ideja je, da se kapsuli da »lasten akvarijski kompresor«, da lahko spakira več celic in jih še vedno ohranja žive in delujoče – tudi v podkožnem, ne zelo »oksigeniranem« mestu.

Zakaj je to sploh potrebno?

Presaditev otočkov ali beta celic je ena najbolj obetavnih poti do "funkcionalnega zdravljenja" sladkorne bolezni tipa 1. Vendar obstajata dve glavni oviri:

1. Imunost - običajno zahteva vseživljenjsko jemanje imunosupresivov;
2. Kisikova lakota – kapsule, ki ščitijo imunski sistem, hkrati odrežejo celice od žil, beta celice, požrešne po O₂, pa se hitro "zadušijo". Novo delo doseže drugo oviro: kapsuli daje lasten, nadzorovan vir kisika.

Kako deluje implantat

• Dva dela. V titanovem ohišju je mini generator kisika (iEOG), ki iz intersticijske tekočine črpa vodo in z elektrolizo sprošča O₂; poleg njega je tanka linearna kapsula s celicami (podobna dolgi "klobasi"), skozi katero poteka plinoprepustna cev: kisik se enakomerno absorbira vzdolž celotne kapsule. Med celicami in tkivi je polprepustna membrana (elektrospin + alginat): glukoza in inzulin prehajata skozi, imunske celice pa ne.
• Dimenzije: Druga različica iEOG ima premer 13 mm in debelino 3,1 mm, tehta pa približno 2 g. V kombinaciji s kapsulo je tak sistem mogoče vstaviti in odstraniti skozi majhen rez, kar je pomembno za varnost.
• Produktivnost. Generator proizvede ~1,9–2,3 cm³ O₂/h in vzdržuje določeni pretok več mesecev in celo let (v dolgotrajnih testih v fiziološki raztopini – do 2,5 leta), po implantaciji pri podganah pa se je ta raven ohranila. Takšen pretok je izračunan tako, da pokriva potrebe sto tisoč ekvivalentov otočkov – red velikosti, ki ga potrebuje človek.

Kaj so pokazali poskusi

• In vitro: Pri 1 % O₂ (huda hipoksija) je oksigenacija ohranjala sposobnost preživetja in izločanje v agregatih INS-1 in v človeških otočkih, zbranih v zelo gosti plasti (60.000 IEQ/ml).
• In vivo (podgane). Po subkutani implantaciji v alogenskem modelu sladkorne bolezni je sistem iEOG normaliziral glikemijo do 3 mesece brez imunosupresije; naprave brez kisika niso imele učinka. Histologija okoli generatorja ni pokazala pomembnih neželenih učinkov.

Zakaj je to pomembno za kliniko?

• Korak k »realističnim dimenzijam«. Da bi odrasli osebi zagotovili odmerek od 300 do 770 tisoč IEQ, mora biti kapsula tesno zapakirana – to je bilo vedno omejeno s kisikom. Nadzorovana dobava O₂ »odstrani zgornjo mejo« gostote in omogoča, da je naprava dovolj kompaktna za resnično implantacijo.
• Plus udobje. Prej smo poskusili s kemičnimi donorji kisika (peroksidi) - ne delujejo dolgo in so neobvladljivi, pa tudi z rezervoarji O₂ z dnevnim "polnjenjem" skozi kožo - nerodno in neprijetno. Tukaj se kisik dovaja nenehno in v odmerjenih odmerkih, brez injekcij.

Tehnične podrobnosti, ki navdušujejo

• Vir vode je tkivo. iEOG vsesava hlape intersticijske tekočine skozi porozno »okno«, nato pa se za ločitev vode na H₂ in O₂ uporabi klasični membransko-elektrodni sklop (MEA) in napetost 1,4–1,8 V; plini se odvajajo skozi različne kanale.
• Trajnost. Tri naprave v fiziološki raztopini so delovale 11 mesecev, 2 leti in 2,5 leta na enosmerni tok brez degradacije zaradi pretoka kisika; po implantaciji pri podganah z imunsko pomanjkljivostjo in imunokompetentnih podganah se je delovanje ohranilo.

Omejitve in "kaj sledi"

To je še vedno predklinično: podgane, visoka gostota v kapsuli, oskrba s kisikom - vse je super, vendar so ključni testi še pred nami:

• prilagajanje odmerkom in časovnim okvirom za ljudi;
• zanesljivost in napajanje elektrokemikov v človeškem telesu že leta (arhitektura napajanja v članku ni podrobno opisana);
• zmanjšanje fibroze okoli kapsul in difuzijska stabilnost;
• testiranje na beta matičnih celicah in na modelih, ki so bližje ljudem. Avtorji svojo rešitev odkrito primerjajo s prejšnjimi pristopi in jo postavljajo kot platformo za klinično prenosljive kapsule.

Zaključek

Da bi presajene beta celice lahko živele in delovale brez imunosupresivov, morajo dihati. Ekipa Cornella in partnerjev je pokazala, da lahko mini generator kisika, vgrajen v linearno kapsulo, celice "hrani" z O₂ dovolj dolgo in enakomerno, da prenesejo visoko gostoto in zmanjšajo sladkor tudi na podkožnem mestu. Klinika je še daleč, vendar je inženirska logika preprosta in lepa - celicam dati zrak tam, kjer ga primanjkuje.